автореферат диссертации по машиностроению и машиноведению, 05.02.09, диссертация на тему:Разработка технологии восстановления деталей направленными потоками металла
Автореферат диссертации по теме "Разработка технологии восстановления деталей направленными потоками металла"
На правах рукописи
Зигяншнн Рамиль Фазылович
Разработка технологии восстановления деталей направленными потоками металла
Специальность 05.02.09 - Технологии и машины обработки давлением
Автореферат диссертации на соискание учёной степени кандидата технических наук
Ижевск-2010
1 8 МАР 2010
003493938
Работа выполнена в ГОУ ВПО «Камская государственная инженерно-экономическая академия»
Научный руководитель: кандидат технических наук, доцент
Панкратов Д.Л.
Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор
Михайлов Ю.О.;
кандидат технических наук Смирнов В.Е.
Ведущая организация: Научно-технический центр Открытого
акционерного общества КАМАЗ (НТЦ ОАО КАМАЗ), г. Набережные Челны.
Защита состоится «9» апреля 2010 года в 14-00 на заседании диссертационного совета Д 212.065.02 при Ижевском государственном техническом университете по адресу: 426069, г. Ижевск, ул. Студенческая, дом 7.
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Ижевского государственного технического университета.
Автореферат разослан »о^Ц^СЬ 2010г.
Отзывы на автореферат в двух экземплярах, заверенные печатью, просим направлять на имя ученого секретаря диссертационного совета.
Ученый секретарь диссертационного совета,
доктор технических наук, профессор ^¿ау.*^ В .Г. Осетров
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность работы. Тенденция поиска путей снижения эксплуатационных расходов машин и технических устройств является устойчивым явлением в хозяйственной и экономической жизни общества. Немалую долю в эксплуатационных расходах занимают затраты на приобретение запасных частей взамен изношенных. Это приводит к необходимости развития методов восстановления изношенных деталей, позволяющих снизить затраты на приобретение запасных частей. Существующие способы восстановления характеризуются многообразием применяемых для восстановления физических процессов с различной трудоемкостью и по объему ресурсов затрачиваемых на осуществление восстановления.
Одним из перспективных способов восстановления изношенных деталей является пластическое деформирование (ПД). Достоинствами восстановления ПД можно считать: возможность получения требуемой микроструктуры металла и эксплуатационных свойств восстанавливаемой детали, позволяющей увеличить ее ресурс; высокая степень экономии ресурсов, обусловленная повторным использованием энергии и материала затраченных на первичное изготовление детали. Однако существующие методы восстановления ПД применяются только для деталей простой геометрической формы, т.к. существующие методы восстановления не рассматривают проблему создания направленных потоков металла в зону износа в достаточном объеме.
В связи с этим сформулирована цель работы: разработка технологии восстановления изношенных деталей прошивкой с созданием направленных потоков металла в зону износа.
Для достижения поставленной цели решены следующие задачи:
1. Исследование влияния формы и размеров пуансонов на течение металла при прошивке.
2. Разработка методики проектирования инструмента для получения требуемого распределения потоков металла в операциях прошивки, включающую в себя САПР инструмента для прошивки.
3. Разработка технологического процесса восстановления изношенных деталей на основе данных по износу: для осесимметричных случаев - «шаровый палец рулевого механизма»; для неосесиммет-ричных случаев - «разжимной кулак тормозного механизма».
Методы исследования. Для исследования особенностей течения металла было использовано численное моделирование методом конечных элементов реализованного в программе С>Рогго. Полученные в результате моделирования данные были обработаны методами математической интерполяции.
Достоверность и обоснованность. Достоверность полученных в диссертационной работе выводов подтверждается согласованностью результатов теоретических исследований с результатами натурного эксперимента по восстановлению изношенных деталей.
Научная новизна работы заключается в следующем:
• экспериментально установлено, что факторами, влияющими на потоки металла при прошивке, являются: форма торца пуансона, поперечное сечение внедряемого пуансона, его диаметр и глубина внедрения;
• разработана математическая модель, связывающая течение металла при прошивке с формой торца инструмента, его диаметром и глубиной внедрения. Установлено, что при малых глубинах внедрения (<0,05 высоты детали) и небольшом диаметре пуансона (<0,15 диаметра детали) достигаемые величины формоизменения не представляют интереса с технологической точки зрения при использовании цилиндрических пуансонов с любой формой торца;
• разработана методика проектирования инструмента для получения требуемого формоизменения при двусторонней прошивке, с учетом относительных скоростей внедрения верхнего и нижнего цилиндрических пуансонов, зависящих от их размеров и формы торца;
Практическая ценность работы заключается в следующем:
• разработана методика проектирования инструмента для получения требуемого формоизменения в операциях прошивки;
• создана САПР инструмента для процессов восстановления изношенных деталей прошивкой, созданием направленных потоков металла в область износа;
• разработаны конструкции штампов для восстановления изношенных деталей типа «шаровый палец» и «разжимной кулак» (патенты № 2371292 и № 2376121);
Апробация работы. Результаты работы докладывались и обсуждались на пяти конференциях в городах Москва (2007), Донецк (2007, 2008), Пенза (2007), Ульяновск (2007).
Публикации. По теме диссертации опубликовано 10 научных работ, в том числе 4 статьи, изданных в журналах, рекомендованных ВАК, и 2 патента № 2371292, № 2376121.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, списка литературы, включающего 112 наименований, и 6 приложений. Работа изложена на 125 страницах машинописного текста, содержащего 26 таблиц, 58 рисунков.
КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
Но введении обоснована актуальность темы, сформулированы научная проблема, цель, научная новизна, практическая значимость работы и основные положения, выносимые на защиту.
В нерпой ¡лаве проведен обзор и анализ работ, посвященных вопросам увеличения срока эксплуатации автомобиля, б том числе методами восстановления деталей его агрегатов и узлов. Описана и обоснована роль мероприятии по восстановлению деталей в эксплуатации автомобиля.
Показано, что проявляется устойчивая тенденция старения отечественного парка автомобилей (до 80% автомобилей старше 10 лет), это приводит к возрастанию спроса на запасные части, необходимые для поддержания работоспособности подвижного состава. Проведен анализ состояния деталей, влияющих на активную безопасность автомобиля, который показывает, что до 70% изношенных деталей может быть подвергнуто восстановлению, что позволило бы удлинить жизненный цикл автомобиля, повысить экономическую эффективность эксплуатации автомобильной техники.
Установлено, что фактически восстановлению подвергаются около 20% детален от общего количества поступающих в ремонт, что свидетельствует о значительных резервах повышения эффективности использования автомобильного парка за счет качественной реновации автомобильных детален.
Исследование процесса износа деталей автомобиля показывает, что наряду с износом и деформацией деталей происходит изменение физико-механических свойств материала деталей. Поэтому при выборе способов восстановления необходимо отдавать предпочтение тем, которые позволяют восстанавливать не только размеры и форму, по и гарантируют получение требуемых эксплуатационных свойств материала. Среди многочисленных методов восстановления деталей наиболее перспективным и эффективным является технология восстановления изношенных деталей пластической деформацией с целенаправленным перемещением металла в зону износа.
Анализ состояния вопроса по изучаемой тематике позволил сформулировать цель и основные задачи работы.
Во второй главе проведено исследование влияния формы и размеров пуансонов, исходной формы образца, марки материала на распределение потоков металла при прошивке осесимметричных образцов, а также возможность использования ступенчатых пуансонов.
Установлено, что на формоизменение образца при прошивке наибольшее влияние оказывает форма торца пуансона, его диаметр и глубина внедрения инструмента. Для исследований использовались
цилиндрические образцы с отношением исходной высоты Н к исходному диаметру D равным единице (H/D = 1).
|______________________Установлено, что перемещение
! каждой точки образца можно рассмат-
ривать как сумму двух разных воздействий: прямого (непосредственное воздействие инструмента на образец) и переносного (воздействие на данную точку образца окружающего его металла). На рис. 1 абсолютное перемещение материальной точки образца О показана как сумма векторов перемещения металла за счет движения инструмента 1 и переносного движения 2 за счет смещения под воздействием окружающих слоев металла.
Исследовано влияние формы торца пуансона на процесс течения металла. На рис. 2 показаны семь геометрических форм торца пуансона, использованных в исследовании.
Рисунок 1 - Движение точки образца в процессе пластической деформации
, е d ,
0О.5а^
1
тш
3
KlA 0d
2 3 4
Рисунок 2 - Типовые формы пуансонов ^ - диаметр пуансона)
В результате математического моделирования получены общие закономерности течения металла при прошивке и установлено схожее поведение перемещаемого металла деформируемого- образца при внедрении некоторых пуансонов, что показано на рис. 3. Анализ формоизменения образца позволил сгруппировать пуансоны следующим образом (нумерация пуансонов согласно рис. 2):
1 группа - пуансоны 1 и 2 перемещают металл в осевом и радиальном направлениях, при этом происходит существенная осадка образца;
2 группа - пуансоны 4 и 5 обеспечивают меньшую степень осадки образца с заметным увеличением радиального течения металла;
3 группа - пуансоны 3, 6 и 7 обеспечивают значительное радиальное течение металла при сравнительно невысокой степени осадки.
5 6 7
Рисунок 3 - Распределение поля деформаций при прошивке пуансонами диаметром с) = 0,71) при внедрении на глубину 0,7 высоты образца (номера пуансонов но рисунку 2)
Количественный анализ формоизменения прошиваемого образца показал, что в порядке увеличения степени осадки рассмотренные пуансоны располагаются в следующем порядке: 3, 6, 7,5, 4, 2 и 1.
Экспериментально установлено, что практически не влияет на течение металла при прошивке:
• высота детали, т.к. проведенные исследования по прошивке цилиндрических образцов различной высоты показали идентичность формоизменения боковой поверхности. На рис. 4 сравнены контуры сечения образцов высотой H=D (сплошной линией) и ¡1=0,75D (прерывистой линией);
• марка стали детали (погрешность формоизменения боковой поверхности составляет не более 2,82% при восстановлении в горячем состоянии для сталей Ст. 20, Ст. 45, 12Х18Н9Т, 20ХГНМ, 21НХ, 30ХГСА, 35ХМ, 40X13, 40Х, ШХ15);
• использование сложных ступенчатых форм внедряемого инструмента, подобных показанному на рис. 5, при условии, что объем дополнительной ступени незначителен по сравнению С общим объемом внедряе- Рисунок4-Сравнениеформоизменения образ-
мого пуансона (около 2% от цтов с" = °>75D"11 = °"Р" "««рения
L = 0.5D (утолщенной липнем показан контур общего объема). сечения образца при II = 0.75D наложенный на
контур сечения образца при II = О)
Результаты исследований формоизменения образцов с различным отношением высоты к диаметру (H/D - 0,25; 0,50;...2,00) представлены в виде зависимостей D„ = F, (d, L), Dcp = F2(d, L), DB = Fi(d, L), H' = F4(d, L) для каждого из пуансонов X = 1..7 (рис. 6) и интерполированы в исследуемой области полиномом третьей степени вида:
F(d, L) = AxdL2 + A2L3 + АЪЬ2 + A4L + A5dL + A6d2L + A1 + + \d + A9d2 -f Al0d\ (1)
Анализ приведенных выше зависимостей позволил определить область применимости прошивки для восстановления боковой поверхности детали в зависимости от геометрических размеров инструмента. В общем случае, характер формоизменения образца зависит от относительных размеров инструмента и образца (cl/D), а также глубины внедрения пуансона (L/H). Необходимый размер инструмента и глубину внедрения, при котором начинается формоизменение боковой поверхности, иллюстрирует график, представленный на рис. 7. Закрашенная область отображает комбинации параметров d/D и L/H, при которых применение операции прошивки для восстановления боковой поверхности нецелесообразно, т.к. формоизменение составляет менее одного процента.
, d/D \ 0.1 L/H
Рисунок 5 -Ступенчатые пуансоны
Рисунок 6 - Схема замеров образца после прошивки
Рисунок 7 - Область применимости прошивки
при восстановлении боковой поверхности (светлая область)
При наличии участка для внедрения инструмента с двух сторон может быть целесообразным применение двусторонней прошивки для восстановления изношенных размеров детали. Т.к. при этом можно до-
биться получения более точного соответствия формоизменения боковой поверхности формоизменению, требуемому для восстановления износа. В этом случае деталь разбивается на верхнюю и нижнюю часть (рис. 8), для каждой из которых параметры инструмента определяются аналогично случаю односторонней прошивки, решением системы уравнений формоизменения для каждой из частей в отдельности. При этом возможно множество вариантов разбиения детали на верхнюю и нижнюю части.
Рисунок 8 -Разбиение восстанавливаемой детали на части при двустороннем внедрении: Хв, X" - номера пуансонов для восстановления верхней и нижней части детали
Особенностью двусторонней прошивки является различие скоростей внедрения верхнего и нижнего пуансонов. Если какой-то из пуансонов внедрится на расчетную глубину (1,п или Ьн) раньше другого, то помимо прошивки элемента произойдет его осадка за счет давления на торец детали поверхностью 1 или 2 (рис. 8), которая исказит формоизменение боковой поверхности детали. Для получения заданного формоизменения боковой поверхности необходимо, чтобы пуансоны внедрились на
где Ьв и Ьн - глубина внедрения пуансонов, рассчитанные по системе уравнений (рис. 8) для верхней и нижней части детали; V в и Vй- скорости внедрения верхнего и нижнего пуансонов; гв и ?н -время внедрения верхнего и нижнего пуансонов.
Выявлено, что при двусторонней прошивке на скорость внедрения в образец влияют два параметра инструмента - форма торца (X) и диаметр ((1) пуансона. Влияние этих параметров можно выразить через коэффициент формы (\>х ) и размерный коэффициент (Vл ):
в1)'„
1
иП"„
(2)
где V- скЬрость внедрения инструмента произвольной формы (из представленных на рис. 2) и произвольного размера ((1 = 0,1. ..0,90); V эт - скорость движения эталонного пуансона (формой торца - Х=1, диаметр - с1 = 0,7Б); V х - коэффициент формы (таблица 1); V размерный коэффициент (рис. 9).
Таблица 1 -
Коэффициент 100
Пуансон V*
1 1.00
2 1.26
3 3.43
4 2.41
5 2.36
6 2.73
7 2.62
Рисунок 9 - Значения размерных коэффициентов (V ¡¡) в зависимости от относительного диаметра пуансона с!Л)
Отношение скоростей пуансонов можно рассчитать по формуле:
V
Уу
(4)
При двусторонней прошивке условие (2) позволяет подобрать такое разбиение детали, при котором достигается одновременность внедрения инструмента на расчетную глубину в верхней и нижней части.
В третьей главе исследовано влияние неосесимметричного инструмента на формоизменение и распределение потоков металла.
Анализ экспериментальных данных показал, что в процессе прошивки металл из-под торца прошивня течет в плоскости, перпендикулярной к действию внешней силы, по кратчайшей нормали к периметру сечения инструмента. Соответственно, максимальная конечная деформация будет наблюдаться в направлении перемещения максимального количества точек, движущихся из-под торца пуансона. Острые кромки рассекают металл или раздвигают в стороны, усиливая приток металла от граней пуансона, при этом течение металла в сторону углов минимально (рис. 10). Этот вывод согласуется с принципом наименьшего сопротивления, сформулированного А.Ф. Головиным.
а) 0) в)
Рисунок 10- Потоки металла нрн внедрении пуансонов с различным поперечным сечением (а - квадратного, б- трапециевидного, в - треугольною). Здесь штрихпунктнрной линией указан исходный образец, стрелками - направления перемещении
Рисунок 11 -Пуансон с лыской
Г,-Г, ...
частиц металла а-а
Износ рабочей поверхности деталей в большинстве случаев происходит неравномерно, поэтому необходимо управлять распределением потоков металла в поперечной плоскости. Для этого было проанализировано формоизменение осесиммет-ричного образца при внедрении пуансонов с лыской.
Для получения неосесимметричного инструмента у цилиндрического пуансона была снята лыска (рис. 11). Расстояния от оси пуансона до плоскости среза были выбраны как г4 = [0; 0,2г...0,8г]. Установлено, что при внедрении пуансонов с лыской наблюдается сходство формоизменения в сечении А-А (рис. 12) с формоизменением при внедрении цилиндрических пуансонов с такой же формой торца.
Это сходство тем выше, чем ближе форма пуансона с лыской к форме осесимметричного пуансона (чем больше г'). Отличия в формоизменении боковой поверхности при внедрении осесимметричного и неосесимметричного инструмента зависят от различия в объемах внедряемого инструмента. Формоизменение в сечении А-А при внедрении пуансона с лыской соответствует формоизменению при внедрении осесимметричного пуансона равного с ним объема (рис. 13), при этом радиус осесимметричного пуансона рассчитывается по формуле:
Рисунок 12- Формоизменение
нрн внедрении пуансона с лыской; здесь 1 - внедряемый пуансон, 2- исследуемый образец, 3 - плита (на виде сверху пунктиром показана исходная форма образца)
Г0 =
где г0 -с лыской.
a r-r-sini 2 тс л
радиус цилиндрического пуансона;
г -
(5)
радиус пуансона
iiymcüH с ЛЫСк'ОН
Рисунок 13 - Формоизменение в сечении А-А Здесь диаметр осесимметричных пуансонов (1 = 0.35D и 03D; а диаметр пуансона с лыской d = 0,5D(r' = 0)
Особенность течения металла в сечении Б-Б при прошивке пуансонами с лыской представлена на рис. 14.
На основании анализа результатов прошивки неосесимметричным инструментом установлено, что для создания направленных потоков металла необходимо, чтобы:
• передняя поверхность пуансона (со стороны восстанавливаемой поверхности детали) должна быть эквидистантой к восстанавливаемой поверхности;
• форма задней поверхности пуансона (со стороны поверхности, не нуждающейся в деформировании) должна быть плоской;
• при необходимости получения значительного формоизменения с одной стороны без формоизменения противоположной грани восстанавливаемой детали целесообразно использовать пуансоны с лыской при 0 < г' < 0,2г. При необходимости получения незначительного формоизменения со стороны противоположной восстанавливаемой поверхности целесообразно использовать пуансоны с лыской при 0,2г < г' < 0,6г. Применение пуансонов с лыской при г' > 0,6г нецелесообразно, т.к. при значениях г', больших 0,6г, формоизменение практически неотличимо от формоизменения, получаемого при осесиммет-ричной прошивке;
• необходимо, чтобы расстояние от восстанавливаемой поверхности до поверхности внедряемого инструмента.было равно или больше минимально допустимого, вычисленного с учетом прочностных характеристик материала и условий работы детали.
L = 0,3 L = 0,5 L = 0,7
Рисунок 14-Формоизменение в сечении Б-Б при внедрении пуансонов с лыской d = 0,5D (г" = 0; 0.2г; 0.4г; О.бг; 0.8г)
В четвертой главе разработана САПР, осуществляющая выбор операции восстановления и расчет параметров инструмента прошивки для получения заданного формоизменения.
Алгоритм выбора операции восстановления детали (рис. 15) выглядит следующим образом:
1) Рассчитать уменьшение высоты детали при восстановлении диаметра осадкой (АНо).
2) Если уменьшение высоты детали при восстановлении меньше допустимой величины уменьшения высоты детали (ДН), то выбрать осадку, иначе: рассчитать уменьшение высоты детали при восстановлении прошивкой (ДНо.п.).
3) Если ДН > ДНо.п., то выбрать прошивку без ограничения боковой поверхности. Иначе: применить прошивку с ограничением боковой поверхности.
Рисунок 15 - Алгоритм расчета параметров процесса реновации при восстановлении сплошных осесимметричных деталей При восстановления прошивкой необходимо учитывать уменьшение прочности детали, вследствие возникновения полости в детали. Уточнение параметров инструмента при прошивке в матрице производится по объему перемещаемого металла:
Уинст = ^из + Ум0 + Vyr, (6)
где УИ1КТ - объем внедряемого инструмента; Уиз - объем износа; Умо - объем механической обработки после восстановления; Ууг -объем потерь металла на угар.
При расчете двухстороннего внедрения деталь, на первом этапе, делится пополам, после чего рассчитываются параметры инструмента для верхней и нижней части. Затем производится проверка по условию (2) и при невыполнении условия производится корректировка схемы разбиения (Нв/Нн - отношение высоты верхней и нижней частей детали) до тех пор, пока не будет удовлетворено соотношение (2).
При невозможности решения задачи формоизменения корректировкой величины Нв/Нн задача решается корректировкой величин <1В и с